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近年来,随着我国经济的迅速发展,水资源总量日益匮乏、水污染形势愈加严峻。由于卡鲁塞尔氧化沟具有出水水质良好、运行相对稳定、方便管理以及能耗较低等优点,在国内外的生活污水和工业污水处理工程中得到广泛应用。但由于设计或运行管理的原因,在实际运行过程中,经常出现脱氮效果较差、出水总氮不能达标等情况。本研究以重庆某卡鲁塞尔氧化沟污水处理厂为原型,针对影响氧化沟脱氮性能的关键因子,构建了底曝式中试系统,分别研究了水力停留时间(HRT)、溶解氧(DO)浓度及曝气工况对污染物的去除效能的影响,特别是脱氮效能提升的关键参数;然后,以中试获得的最优工况为依据,进行了生产性试验,详细研究了氮的沿程和深度方向的转化规律,并获得了稳定的脱氮效果和出水水质;最后,结合微电极与高通量测序技术,探索了生产性试验规模下生物微环境对改良型卡鲁塞尔氧化沟脱氮性能的影响机制。研究结果为提高小规模卡鲁塞尔氧化沟脱氮效能提供参考。取得的主要成果如下:1)开展了规模为10m3/d的改良型卡鲁塞尔氧化沟中试研究。运行条件为:溶解氧为3 mg/L,内回流比为200%,外回流比为50%~80%。当HRT为17h、10h时,COD的去除率在90%以上,NH3-N去除率为51.9%-83.8%,TN去除率为41.2%-55.5%,当HRT在12h和15h时,有机物和氨氮的氧化作用、反硝化作用均较强,COD、NH3-N、TN去除率最高分别达93.1%、92.2%和52.8%。2)在中试条件下,HRT=15h,回流比采用200%,外回流比采用50%~80%,溶解氧(DO)水平为5mg/L、4 mg/L、3 mg/L、2 mg/L时,SS、TP的去除率分别可达96-97%和90-93%,但COD、NH3-N、TN的去除率呈显著差异(P<0.05)。当DO为3、4、5mg/L时,可保证池内微生物在有足够溶解氧的条件下对污水中有机物的氧化分解及氮的硝化,因此COD去除率分别达93.1%、94.4%和95.2%,NH3-N的去除率分别为98.9%、99.1%和98.9%,这种情况也会促使内回流混合液产生较高的溶解氧,从而影响了氧化沟缺氧区的溶氧浓度,使硝化反应过程中产生的NO3-N过多,导致TN去除率降低。当DO浓度降低至2mg/L时,形成的缺氧环境使得反硝化得以顺利进行,TN的去除率由高DO水平(5mg/L)时的28.8%提升至48.1%。同时,在氧化沟的好氧段,关闭内回流附近及曝气沿程中部的一段曝气区域时,同步硝化反硝化作用较充分,COD、NH3-N、TN的去除率分别达91.8%、77.6%和67.0%,污染物去除效能显著优于其它工况。3)以中试试验确定的最佳工况(HRT=12h,DO=2~3mg/L)进行生产性试验,规模为1.5万m3/d。研究结果表明,出水SS、BOD5、CODcr、NH3-N、TN、TP均能较好的达到国家一级B标准,去除率分别为:96.25%、95.54%、90.54%、88.69%、54.6%、92.17%。nh3-n、tn的去除效果受低温影响较大,水温为13~15℃时,nh3-n和tn的出水效果有所下降,分别达到3.95mg/l和15.96mg/l,但依然满足国家(gb18918—2002)一级b标准。4)在生产性试验中进行了溶解氧的沿程、深度分布及氮的沿程迁移转化研究。试验结果表明,沿程方向上,当缺氧池do为0.2~0.5mg/l,主要发生反硝化作用,tn、no3-n去除率分别为53.56%和69%。好氧池前段do为1.65~2.95mg/l时,主要发生氨化作用和硝化作用,nh3-n浓度由5.25mg/l下降到3.8mg/l,同时no3-n的浓度沿程上升较快,由5.25mg/l上升到11.34mg/l;好氧池后段,逐渐降低do至1.5mg/l以下,由于反硝化作用的发生,tn和no3--n浓度同时下降,并趋于稳定,达到国家(gb18918—2002)一级b标准。深度方向上,缺氧区深度从0.5m增加到3.5m时,do浓度0.51mg/l降低为0.31mg/l,硝态氮浓度从9.913mg/l降低到9.375mg/l,氨氮浓度由8.763mg/l升高到9.322mg/l。好氧区深度从0.5m增加到3.5m时,do由3.35mg/l降低到3.10mg/l,硝态氮浓度从11.384mg/l降低到10.883mg/l,氨氮浓度从3.099mg/l上升到3.341mg/l。5)利用微电极技术对污泥絮体微环境进行了检测。改良型卡鲁塞尔氧化沟活性污泥系统中,污泥絮体结构较为疏松,半径约1~2mm。好氧池内絮体从外至内沿半径方向,do浓度由3.311mg/l减少至1.795mg/l,降幅达50%,nh3-n浓度由3.8002mg/l变为3.8003mg/l,no3--n浓度由11.7475mg/l变为11.7416mg/l,no2--n浓度基本维持在0.21mg/l,差异不显著。缺氧池内絮体从外至内沿半径方向,do浓度由0.690mg/l减少至0.378mg/l,nh3-n浓度由8.4011mg/l变为8.4012mg/l,no3--n浓度由5.1578mg/l变为5.1542mg/l,no2--n浓度也始终维持在0.53mg/l。三种形态的氮在好氧和缺氧条件下,絮体微环境中浓度差异均不大。由此可见,结构疏松的污泥絮体微环境中,溶解氧沿絮体由外向内的传质仍然较难,且do不是导致氮形态差异的关键因素。6)利用高通量测序技术对微生物种群进行检测发现,改良型卡鲁塞尔氧化沟好氧池和缺氧池脱氮过程中,主要的共有优势菌门为变形菌门、浮霉状菌门、拟杆菌门、硝化螺菌门、放线菌门等,各菌门在好氧池中所占比例分别为36.1%、7.0%、19.4%、0.48%和4.1%,在缺氧池中所占比例分别为36.6%、6.5%、18.7%、0.42%和3.6%。硝化螺菌门的存在使得no2形菌门微生物的生长,因此在缺氧池的污泥样品中所占比例要高于好氧池,该门细菌的功能在缺氧池中主要体现为反硝化作用。好氧池与缺氧池主要的共有优势菌属为暖绳菌属、dokdonella属、出芽菌属、生丝微菌属、浮霉状菌属,其在好氧池中所占比例分别为2.33%、0.66%、0.94%、1.05%和2.50%,在缺氧池中所占比例分别为2.80%、0.82%、1.06%、1.02%和2.42%,其中后四种兼性菌属为工艺运行过程中主要的脱氮菌群;改良型氧化沟工艺的脱氮效能主要是由于这四种兼性菌属,尤其是Dokdonella属细菌,在不同溶解氧浓度区域表现出的硝化及反硝化作用来实现的。